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문제 정의
- Damper가 장착되는 위치는 운전자가 느끼는 Pedal에 가까울수록 좋으며, 차량 엔진룸 내부의 Lay-out 조건에 따라 장착이 가능하다. Hydraulic System을 이용한 차종에서, 엔진진동의 영향으로 발생하는 Clutch 배관내의 액압 맥동을 저감시켜, Pedal 진동을 방지하는 것이 목적이다. Plastic Damper는 Elastomer의 탄성을 맥동 흡수원으로 이용하는 것을 특징이다.
제안 방법
- Damper의 진동 특성을 simulation을 통해 확인하였으며, Model의 최적화를 위하여 Damper가 없는 사양과 Damper+Derivation pipes system과 Damper+Derivation 2pipe system을 차량과 진동특성을 비교하여 최적사양을 검증하기 위한 Simulation을 실시하였고 최적의 진동감쇠 사양을 확인하였다.
- Damper의 진동특성을 확인하기 위하여 Fig.11과 같이 Damper Parameter를 입력한 Simulation Modeling을 하였다. System test with Damper serial 2pipes로 실차와 가장 근접한 진동측정 위치를 확인하여 sensor의 위치 설정하기 위하여 두 가지 방법으로 Pipe를 구간을 설정하여 Modeling 하였다.
- NVH(Noise, Vibration, Harshness)의 시험과 시스템의 동작을 그와 비슷한 모델로 대용할만한 목적을 위한 컴퓨터 프로그램을 이용하여 실제조건으로 판단하기 위한 Simulation Tool을 도입하였다.
- Plastic Damper와 Metal Damper의 페달진동 감쇠성능과 페달 조작성을 상호비교 평가하여, 성능을 확인하기 위하여 시험차량으로 Monitoring을 실시하였다
- Simulation 절차방법으로 시스템 모델링 후 각단품의 강성, 용적, 물성치 입력하고 CMC와 CSC의 전달함수(frequency response function)를 구해 고유진동수를 구하였다. 시뮬레이션의 고유진동수와 시험 값을 Correlation 시키며, 유압시스템의 Parameter study(주로 pipe 길이와 유압댐퍼의 강성 조정)하여 최적 Simulation 수행하였다.
- 11과 같이 Damper Parameter를 입력한 Simulation Modeling을 하였다. System test with Damper serial 2pipes로 실차와 가장 근접한 진동측정 위치를 확인하여 sensor의 위치 설정하기 위하여 두 가지 방법으로 Pipe를 구간을 설정하여 Modeling 하였다.
- System 구성으로는 Damper가 없는 것을 Base로 하였고, Plastic Damper에서는 Elastomer의 경도를 80Hs와 90Hs사양과 Elastomer의 형상변경품인 3가지 사양으로, Metal damper는 Ø35×0.8t, Ø35×1.2t와 Ø40×0.8t로 3가지 사양으로 총7가지 System을 구성하여 test를 실시하였다.
- 본 연구에서는 처음으로 개발된 국내의 Plastic(T2) Damper를 Hydraulic Clutch Control System의 진동 감쇠 특성시험을 통해 System Simulation과 비교분석하여 Simulation을 정형화하였다.
- Simulation 절차방법으로 시스템 모델링 후 각단품의 강성, 용적, 물성치 입력하고 CMC와 CSC의 전달함수(frequency response function)를 구해 고유진동수를 구하였다. 시뮬레이션의 고유진동수와 시험 값을 Correlation 시키며, 유압시스템의 Parameter study(주로 pipe 길이와 유압댐퍼의 강성 조정)하여 최적 Simulation 수행하였다.
- 외부 입력에 무관하게 시스템의 고유특성을 분석하여 선형 모델로 분석하며, Operating Point에서 시스템 선형화의 상호관계는 다음과 같은 상태방정식으로 표현한다. 단, 행렬 A(n×n), B(n×m), C(p×n), D(p×m)은 각 벡터 사이의 상호관계를 나타내는 행렬이다.
- 유압시스템을 AMEsim으로 모델링한 유압시스템의 강성과 관성의 영향을 고려하여 선형해석을 수행하여 시스템의 Critical frequency를 예견하고 실차 시험결과와 Correlation시켜 Parameter study를 통하여 최적화된 유압시스템을 제안하기 위함이며, Simulation을 통하여 Pedal 진동의 최적화와 문제점 발생 시 초기에 찾아낼 수 있으며 미세한 부분까지도 해석할 수 있는 장점을 가지고 있다.
- 조작성시험과 진동특성비교시험을 Free Play 35mm 구간에서의 Pedal 진동과 Free Play 35mm 유지 상태에서 RPM Run up (Idle ~ 4500rpm), Stroke 20mm 구간에서의 엔진 Idle 상태의 Pedal 진동, Stroke 20mm 유지 상태에서 RPM Run up (Idle ~ 4000rpm)을 확인하였다.
- 진동 Simulation System의 시험방법은 Damper 없는 Test, With Damper Test, With Damper+Derivation Pipe으로 3가지로 하였다.
성능/효과
- 85로 저감을 확인하였다. Derivation pipe 적용시 공진주파수는 48Hz에서 43Hz로 저감되고 CMC/CSC 압력도 1.85에서 1.28로 저감됨을 확인하였다. Twist 1m Pipe 사용시 공진주파수는 43Hz에서 32Hz로 감소되며, CMC/CSC 압력은 1.
- Simulation 결과 CMC와 CSC의 공진주파수는 Pedal stroke 증가에 따라 64~84Hz 대역에 걸쳐있으며, Plastic damper 적용하여 40mm stroke시 Resonance Frequency 80Hz에서 48Hz로 저감되었으며, Derivation pipe 적용시 주파수 이동보다는 damping 감소의 영향성이 큰 것으로 나타났다. Plastic damper 적용시 공진 주파수는 80Hz에서 48Hz로 저감되며 CMC/CSC 압력도 2.19에서 1.85로 저감을 확인하였다. Derivation pipe 적용시 공진주파수는 48Hz에서 43Hz로 저감되고 CMC/CSC 압력도 1.
- Simulation 결과 CMC와 CSC의 공진주파수는 Pedal stroke 증가에 따라 64~84Hz 대역에 걸쳐있으며, Plastic damper 적용하여 40mm stroke시 Resonance Frequency 80Hz에서 48Hz로 저감되었으며, Derivation pipe 적용시 주파수 이동보다는 damping 감소의 영향성이 큰 것으로 나타났다. Plastic damper 적용시 공진 주파수는 80Hz에서 48Hz로 저감되며 CMC/CSC 압력도 2.
- Simulation 결과 Damper+Derivation 2pipe system 사양이 진동감쇠 최적사양이며, 이를 토대로 Damper+Derivation+Twist 2pipes 사양과 비교 확인하였다.
- System with Damper Serial 2pipes시에는 Linear damper와 Plastic Damper의 비교하여 stiffness를 비교한 결과 Fig.12과 같이 Plastic Damper의 경우 15bar(2000N=Pedal stroke 50mm) 이상에서 Stiffness 감소됨을 확인할 수 있었다.
- 28로 저감됨을 확인하였다. Twist 1m Pipe 사용시 공진주파수는 43Hz에서 32Hz로 감소되며, CMC/CSC 압력은 1.28에서 0.6으로 크게 감소함을 확인하였다.
- 최적사양은 Plastic Damper+Derivation+ Twist 1m pipe 이었으며, 가장 큰 진동감쇠를 확인할 수 있었다.
- 페달 조작성 시험결과 전체적인 Pedal Stroke에 의한 Effort는 양호한 수준으로 Damper가 없는 사양 대비 우수한 Effort의 성능이 확인되었고, 여유 Stroke의 경우에 Plastic Damper가 가장 좋은 결과를 나타났다.
- 조작성시험과 진동특성비교시험을 Free Play 35mm 구간에서의 Pedal 진동과 Free Play 35mm 유지 상태에서 RPM Run up (Idle ~ 4500rpm), Stroke 20mm 구간에서의 엔진 Idle 상태의 Pedal 진동, Stroke 20mm 유지 상태에서 RPM Run up (Idle ~ 4000rpm)을 확인하였다. 페달진동비교시험 결과 전체적인 페달진동은 양호한 수준이었고, Damper가 없는 사양 대비하여 우수한 Damping 성능이 확인하였으며, Idle 진동의 경우 Metal Damper 와 Plastic Damper 동등한 수준이며, Run up mode의 경우에서는 Metal Damper와 그 효과가 비슷한 수준으로 계측되었다.
후속연구
- 본 연구에서는 처음으로 개발된 국내의 Plastic(T2) Damper를 Hydraulic Clutch Control System의 진동 감쇠 특성시험을 통해 System Simulation과 비교분석하여 Simulation을 정형화하였다. 각 Modeling의 Damper 장착 위치에 따른 진동특성을 비교분석하여 보다 우수한 국산 Plastic Damper의 개발과 Hydraulic Clutch Control System내의 진보된 진동감쇠 효과를 갖는 제품개발에 도움이 되었으면 한다.
- 그러나 이러한 플라스틱 소재의 적용은 국내 기반설비 및 기술력 부족, 소재 수급, 제조 공법 등 현재의 생산방식과 플라스틱에 대한 재질변경에 따른 문제가 발생하여, 현장에서는 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다. 앞으로 연료저감과 환경문제 등으로 인해 그 적용범위는 점차 확대될 것으로 기대된다.
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